JP2023027544A - ツール交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造のツール交換装置を提供する。【解決手段】ツール交換装置１０ａは、電動モータ３６を収容するモータ収容室３５が形成された装置本体２０と、装置本体２０に設けられ、ツールユニット１１に設けられた係合リング１５に係合する複数のボール４１が装着される円筒部材３１と、円筒部材３１の内部に装着され、モータ収容室３５に配置された電動モータ３６により回転駆動されるカム部材４２と、カム部材４２に設けられ、ボール４１を係合リングに係合させるロック面およびボール４１を係合リング１５から解放させる解放面を備えたボール駆動面と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ツールユニットが着脱自在に装着されるツール交換装置に関する。

ロボットアームを操作してワークの加工等の操作を行うために、移動装置としてのロボットアームにはツール交換装置が装着され、ツールユニットがツール交換装置に着脱自在に装着される。ツールユニットには、ワークを加工したり、ワークや治具を搬送したりするツールやハンド等の操作機器が設けられている。ワークや治具に対する操作の種類に応じて操作機器が相違した複数のツールユニットが支持台に配置されており、ツール交換装置には操作に応じて何れかのツールユニットが装着される。

特許文献１は、ロボットアームに取り付けられるマスタープレートと、工具等が取り付けられるツールプレートとを有するロボットアーム用のカップリング装置を開示しており、マスタープレートにはツールプレートをマスタープレートに着脱させる着脱機構が設けられている。着脱機構は、ツールプレートのボール受けの挿入穴部に挿入される挿入部を有し、挿入穴部の内周面に係合するボールが挿入部に設けられている。ボールを挿入穴部に係合させるピストン部材がマスタープレートに設けられている。

特開２００３－１１７８６８号公報

このように、ピストン部材によりボールを挿入穴部に係合させるようにしたカップリング装置においては、ピストン部材に対して圧縮空気を供給するための圧縮空気供給源を産業用ロボットのアームなどの移動装置に設ける必要がある。ツールプレートにエアハンド等の空気圧作動機器が搭載される場合には、空気圧作動機器に圧縮空気を供給するための空気圧供給源が移動装置に設けられるので、その空気圧供給源からピストン部材に対して圧縮空気を供給することができる。

しかしながら、ツールプレートに空気圧作動機器が搭載されない場合には、ピストン部材の駆動のために圧縮空気供給源を移動装置に設ける必要がある。しかも、マスタープレートには空気供給用のホースを設ける必要があり、マスタープレートにこれらのスペースを設ける必要がある。このため、ツール交換装置としてのカップリング装置、およびマスタープレートの構造が複雑となり、ツール交換装置の小型化が困難である。

本発明の目的は、簡単な構造のツール交換装置を提供することにある。

本発明のツール交換装置は、ツールユニットが着脱自在に装着されるツール交換装置であって、電動モータを収容するモータ収容室が形成された装置本体と、前記装置本体に設けられ、前記ツールユニットに設けられた係合リングに係合する複数のボールが装着される円筒部材と、前記円筒部材の内部に装着され、前記モータ収容室に配置された電動モータにより回転駆動されるカム部材と、前記カム部材に設けられ、前記ボールを前記係合リングに係合させるロック面および前記ボールを前記係合リングから解放させる解放面を備えたボール駆動面と、を有する。

ツール交換装置は、電動モータを収容する装置本体と、ツールユニットの係合リングに係合するボールが装着される円筒部材とを有し、円筒部材に装着されたカム部材はボールを係合リングに係合させるロック面とボールを係合リングから解放させる解放面とを有しており、電動モータによりカム部材を回転駆動するようにしたので、簡単な構造のツール交換装置によってツールユニットを着脱自在に装着することができる。

一実施の形態であるツール交換装置を示す断面図である。 ツール交換装置からツールユニットを取り外した状態を示す断面図である。 図１の分解図である。 図１のＡ－Ａ線における円筒部材の断面図であり、（Ａ）はボールのロック状態を示し、（Ｂ）はボールの解放状態を示す。 操作機器としての電動ハンドが装着されたツールユニットとロボットアームに装着された他の実施の形態であるツール交換装置の外観を示す正面図である。 図５に示されたツール交換装置の断面図である 他の実施の形態であるツール交換装置を示す平面側断面図である。 図７におけるＢ－Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１～図３に示されるように、ツール交換装置１０ａにはツールユニット１１が着脱自在に装着される。ツールユニット１１は、環状のツールブロック１２とツールブロック１２の前面に装着される環状の締結ブロック１３とを備えており、ツールブロック１２の背面は突き当て面１４である。係合リング１５がツールブロック１２に一体に設けられ、係合リング１５は中心軸Ｏ1に沿う方向の中央部に形成された小径の貫通孔１６を有し、貫通孔１６に対してツールブロック１２の背面側にボールガイド面１７が設けられ、前面側にボール係合面１８が設けられている。ボールガイド面１７はツールブロック１２の背面から貫通孔１６に向けて小径となるように傾斜し、ボール係合面１８は貫通孔１６からツールブロック１２の前面に向けて大径となるように傾斜している。

ツールユニット１１の締結ブロック１３には、電動ハンドや電動ドライバ等の操作機器が取り付けられるようになっている。そして、この操作機器は、コネクタを介してコントローラに接続され、コントローラにより駆動される。ツールユニット１１に装着された操作機器を用いて、移動装置としてのロボットアームによりワークの加工や搬送等を行うために、ツール交換装置１０ａが図示しないロボットアームに装着される。ツール交換装置１０ａは、マスターユニットやマスタープレートとも言われる。

ツール交換装置１０ａは装置本体２０を有している。装置本体２０は、モータケース２１とこの先端に取り付けられる端板２２とを備えている。モータケース２１は、ロボットアームに装着される後端側の基部ディスク２１ａと、ツールユニット１１が着脱自在に装着される先端側の取付リング２１ｂと、基部ディスク２１ａおよび取付リング２１ｂとの間に設けられた中央筒体２１ｃとを備えている。中央筒体２１ｃの外径は基部ディスク２１ａおよび取付リング２１ｂの外径よりも小径であり、中央筒体２１ｃの径方向外方であって、基部ディスク２１ａと取付リング２１ｂとの間には、凹部からなる操作空間１９が形成される。端板２２が取付リング２１ｂに装着され、取付リング２１ｂと端板２２とによって取付フランジ２３が構成される。

図３に示されるように、端板２２にはねじ孔２５ａが形成され、ねじ孔２５ａにねじ結合されるねじ部材２５により端板２２は取付リング２１ｂに固定される。取付リング２１ｂの円周方向に１８０度ずれた位置にも図示しないねじ部材が設けられている。端板２２の前面の外周部は、ツールブロック１２の突き当て面１４が突き当てられる装着面２６である。ツール交換装置１０ａについては装着面２６が形成された側を前面とし、ツールユニット１１については装着面２６に突き当てられる突き当て面１４を背面とする。

端板２２の円周方向に１８０度ずらして２つのロックピン２７が端板２２に取り付けられており、それぞれのロックピン２７は取付リング２１ｂに装着されるねじ部材２８にねじ結合されている。

円筒部材３１が装置本体２０の端板２２に設けられている。円筒部材３１は基端部に設けられたフランジ３２を有し、端板２２に設けられた取付孔を貫通する４本のねじ部材３３がフランジ３２にねじ結合され、円筒部材３１はねじ部材３３により端板２２に固定される。円筒部３４が端板２２の径方向中央部に設けられ、円筒部３４と中央筒体２１ｃにより装置本体２０の内部にモータ収容室３５が形成される。モータ収容室３５内に電動モータ３６が配置され、電動モータ３６は円筒部３４の内側に位置させて端板２２にねじ部材３７により固定されている。電動モータ３６に対する電力供給は、装置本体２０に設けられた図示しないコネクタを介して外部から供給される。

円筒部材３１には、図４に示されるように、円周方向に等間隔置きに３つのボール支持孔３８が形成され、ボール支持孔３８は円筒部材３１を径方向に貫通するとともに、円筒部材３１の径方向外部に向かうにしたがって内径が小さくなっている。鋼球つまりボール４１がそれぞれのボール支持孔３８に装着されており、ボール４１はボール支持孔３８の径方向外方には外れない。カム部材４２が円筒部材３１の内部に装着されており、カム部材４２は円筒部材３１の先端部に形成された支持孔４３に回転自在に装着される駆動部４４とこれと一体のカム部４５とを備えている。

連結部材４６が電動モータ３６のシャフト３９に取り付けられ、連結部材４６はカム部材４２の駆動部４４に形成された係合孔４７に噛み合っている。シャフト３９の回転中心軸Ｏ2はカム部材４２の回転中心軸と同軸となっており、電動モータ３６は、シャフト３９がカム部材４２の回転中心軸に沿う方向となって、縦向きに装置本体２０のモータケース２１内に配置されている。ガイドピン４８がカム部材４２に突出して端板２２に取り付けられ、ガイドピン４８が入り込むガイド孔４９がカム部材４２に円弧状に形成されており、カム部材４２の往復回転はガイドピン４８により案内される。電動モータ３６によりカム部材４２は、図４において矢印で示すように、角度αの範囲内において往復回転する。この角度αは約８０度である。カム部材４２の往復回転角度は、ガイドピン４８により規制される。

図４に示されるように、カム部材４２のカム部４５の外周面に３つのボール駆動面５０が形成され、それぞれのボール駆動面５０は円周方向に１２０度の範囲に設けられている。それぞれのボール駆動面５０はカム部材４２の回転中心軸からの半径が最大の大径のロック面５１とこれよりも小径の解放面５２とを備えており、ボール駆動面５０はロック面５１から解放面５２に向けて漸次径が小径となるように半径が変化している。図４（Ａ）に示されるように、それぞれのボール４１がロック面５１に接触すると、ボール４１の一部は円筒部材３１の外周面から径方向外方に突出して係合リング１５のボール係合面１８に係合する。これにより、ツールユニット１１の突き当て面１４がツール交換装置１０ａの装着面２６に突き当てられてツールユニット１１はツール交換装置１０ａに締結される。

一方、図４（Ｂ）に示されるように、図４（Ａ）の位置からカム部材４２が反時計方向に回転されると、それぞれのボール４１は解放面５２に接触し、ボール４１は円筒部材３１の外周面から外部に突出しなくなる。この状態においては、図２に示すように、ツール交換装置１０ａをツールユニット１１から分離することができる。

図１および図２に示されるように、ロックピン２７が挿入される締結孔５３が締結ブロック１３に形成され、ロックピン２７に嵌合するスリーブ５４が締結孔５３に移動自在に装着されている。ロックピン２７は先端部が基端部よりも小径となったテーパ形状であり、スリーブ５４の内周面は先端部に向けて内径が小さくなったテーパ形状部を有している。圧縮コイルばね５５が締結孔５３に装着され、ロックピン２７に向かう方向に圧縮コイルばね５５のばね力がスリーブ５４に加えられている。この圧縮コイルばね５５とスリーブ５４とにより、ツールユニット１１とツール交換装置１０ａとの締結精度が向上する。

移動装置としてのロボットアームに装着されたツール交換装置１０ａにツールユニット１１を装着するには、図２および図４（Ｂ）に示されるように、３つのボール４１が解放面５２に接触してボール４１が円筒部材３１の外周面から突出していない状態のもとで、円筒部材３１をツールユニット１１の貫通孔１６内に挿入する。これにより、ロックピン２７がスリーブ５４に挿入されて、ツールユニット１１がツール交換装置１０ａに対して回転することが規制される。ツールユニット１１の突き当て面１４にツール交換装置１０ａの装着面２６が突き当てられた状態のもとで、電動モータ３６を駆動してシャフト３９を回転駆動し、カム部材４２のロック面５１をボール４１に接触させる。これにより、図１および図４（Ａ）に示されるように、ボール４１は係合リング１５のボール係合面１８に接触し、ツールユニット１１はツール交換装置１０ａに締結される。

このように、カム部材４２を電動モータ３６により回転させることによって、ツールユニット１１をツール交換装置１０ａに締結したり、締結時と逆方向に回転させることによって締結を解除したりするようにしたので、ツール交換装置１０ａを簡単な構造とすることができる。電動モータ３６は、装置本体２０のモータケース２１内に縦向きに配置されており、装置本体２０の横方向の寸法、つまり回転中心軸Ｏ2を横切る方向の寸法を小さくすることができる。

図５は操作機器としての電動ハンド１が装着されたツールユニット１１とロボットアーム２に装着された他の実施の形態であるツール交換装置１０ｂの外観を示す正面図であり、図６は図５に示されたツール交換装置１０ｂの断面図である。図５および図６に示されるツール交換装置１０ｂにおいては、上述したツール交換装置１０ａと共通性を有する部材には同一の符号が付されている。

図５に示されるように、本体側のコネクタ３が装置本体２０の取付フランジ２３に設けられ、ツール側のコネクタ４がツールユニット１１のツールブロック１２に設けられている。本体側のコネクタ３は信号線５によりロボット制御部に配置されたコントローラ６に接続され、ツール側のコネクタ４は信号線７により電動ハンド１に接続されている。ツール交換装置１０ｂはロボットアーム２により所定の移動経路を移動して電動ハンド１を搬送する。電動ハンド１はワーク等を把持する２つのフィンガー８を有しており、フィンガー８は相互に接近離反移動可能となっている。所定の位置における電動ハンド１のフィンガー８によるワーク等の把持と、把持したワーク等の解放動作は、コントローラ６からの信号により電動ハンド１を制御することにより行われる。

図６に示されるように、装置本体２０を構成するモータケース２１の基部ディスク２１ａには貫通孔５６が形成されており、ロボットアーム２にねじ結合されるねじ部材５７が貫通孔５６に装着される。このねじ部材５７の頭部は、中央筒体２１ｃの径方向外方であって、基部ディスク２１ａと取付リング２１ｂとの間に形成される操作空間１９に露出している。

取付フランジ２３を構成する取付リング２１ｂには複数の貫通孔５８ａが形成され、端板２２には貫通孔５８ａに対応させて貫通孔５８ｂが形成されている。それぞれの貫通孔５８ａ、５８ｂは、操作空間１９に開口しており、ツール交換装置１０ｂに電動ハンド１を取り付けるためのねじ部材５９を装着するために使用される。ねじ部材５９は、ツールユニット１１に形成された貫通孔６０に装着される。

このツール交換装置１０ｂにおいては、ロボットアーム２からツール交換装置１０ｂを着脱するときには、凹部形状の操作空間１９からねじ部材５７の着脱が可能となっており、ツール交換装置１０ｂにツールユニット１１が締結された状態であっても、ツール交換装置１０ｂをロボットアーム２に対して着脱することができる。また、電動ハンド１等の操作機器をツールユニット１１に着脱するときには、操作空間１９から貫通孔５８ａ、５８ｂを介してねじ部材５９を着脱することができる。これにより、ツール交換装置１０ｂにツールユニット１１が締結された状態においても、電動ハンド１のツールユニット１１に対する着脱を行うことができる。

このように、中央筒体２１ｃの径方向外方の着脱操作用の操作空間１９からねじ部材を着脱することができる構造としたので、例えば、何らかの不都合により、ツール交換装置１０ｂとツールユニット１１とが分離できない場合でも、電動ハンド１等の操作機器をツールユニット１１に対して交換したり、ロボットアーム２からツール交換装置１０ｂを取り外したりすることができる。

端板２２に取り付けられた円筒部材３１には、図１および図２に示したツール交換装置１０ａと同様に、３つのボール４１が装着されており、それぞれのボール４１が係合する係合リング１５がツールブロック１２に設けられている。さらに、電動モータ３６のシャフト３９により駆動されるカム部材４２のカム部４５の外周面には、図４に示した場合と同様のボール駆動面５０が形成されている。また、カム部材４２は軸受６１を介して円筒部材３１に回転自在に支持されている。

図７は他の実施の形態であるツール交換装置１０ｃを示す平面側断面図であり、図８は図７におけるＢ－Ｂ線断面図である。図７および図８に示されるツール交換装置１０ｃにおいては、上述したツール交換装置１０ａ、１０ｂと共通性を有する部材には同一の符号が付されている。

装置本体２０は、横断面形状が四角形のモータケース２１とこれの先端部に取り付けられる端板２２とを備えている。ツールユニット１１には係合リング１５が一体に設けられるとともに締結孔５３が形成されている。ロックピン２７が端板２２に取り付けられており、装着面２６から突出している。なお、図１および図２で示したスリーブ５４および圧縮コイルばね５５を、ツール交換装置１０ｃに装着してもよい。その場合、ツール交換装置１０ｃを構成する部品は多くなるが、締結精度は向上する。

端板２２に取り付けられる円筒部材３１の先端壁６２にはカム部材４２が回転自在に装着される。カム部材４２に設けられた支持軸６３は先端壁６２に軸受６４により回転自在に支持される。先端壁６２に固定されたガイドピン４８は、上述したカム部材４２と同様に、ガイド孔４９に挿入され、カム部材４２はガイドピン４８により案内されて上述した場合と同様に角度αの範囲を往復回転する。カム部材４２は、上述した場合と同様に、カム部４５の外周面に３つのボール駆動面が形成され、それぞれのボール駆動面は大径のロック面５１と小径の解放面５２とを備えている。

駆動軸６５が軸受６６により端板２２に回転自在に支持され、軸受６６ａによりモータケース２１に回転自在に支持され、駆動軸６５の先端部はカム部材４２に形成された係合孔４７に係合している。駆動軸６５の回転中心軸Ｏ3は、カム部材４２の回転中心軸と同軸である。ウォーム歯車６７が駆動軸６５に取り付けられている。モータ収容室３５に位置させて端板２２には主支持板６８と副支持板６９が平行に設けられ、主支持板６８と副支持板６９とにより両端部が回転自在に支持されたウォーム軸７１には、ウォーム歯車６７に噛み合うウォーム７２が設けられている。ウォーム軸７１の回転中心軸Ｏ4は、駆動軸６５の回転中心軸Ｏ3に対して直角である。

電動モータ３６が主支持板６８に取り付けられており、電動モータ３６の回転中心軸Ｏ5は、ウォーム軸７１の回転中心軸Ｏ4と平行であり、電動モータ３６はモータ収容室３５に横向きに配置されている。電動モータ３６のシャフト３９に取り付けられたプーリ７３と、ウォーム軸７１に取り付けられたプーリ７４との間はベルト７５が掛け渡されており、プーリ７３，７４とベルト７５は、電動モータ３６のシャフト３９の回転をウォーム７２に伝達する回転伝達機構７６を構成している。

このように、電動モータ３６を装置本体２０に横向きに配置すると、ツール交換装置１０ｂの縦方向の寸法つまり回転中心軸Ｏ3に沿う方向の寸法を小さくすることができ、シャフト３９の回転をウォーム７２に伝達するための回転伝達機構７６をモータ収容室３５に配置することができる。しかも、上述したツール交換装置１０ａ、１０ｂと同様に、カム部材４２を電動モータ３６により回転させることによって、ツールユニット１１をツール交換装置１０ｂに対して締結する一方、締結時と逆方向に回転させることによって締結を解除するようにしたので、ツール交換装置１０ｃを簡単な構造とすることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。カム部材４２のカム部４５の外周面に形成されるボール駆動面５０の数つまりボール４１の数は３つに限られることなく、複数であれば、円筒部材３１の径に応じて４つ或いはそれ以上としてもよい。また、ツール交換装置をロボットアームに装着した場合について説明したが、ロボットアームに限られず、ツールユニットを移動する部材を備えた移動装置であれば、本発明のツール交換装置を適用することができる。

１ 電動ハンド
２ ロボットアーム
１１ ツールユニット
１２ ツールブロック
１４ 突き当て面
１５ 係合リング
１６ 貫通孔
１７ ボールガイド面
１８ ボール係合面
１９ 操作空間
２０ 装置本体
２１ モータケース
２２ 端板
２３ 取付フランジ
２６ 装着面
２７ ロックピン
３５ モータ収容室
３６ 電動モータ
３９ シャフト
４１ ボール
４２ カム部材
４５ カム部
４６ 連結部材
４７ 係合孔
４８ ガイドピン
４９ ガイド孔
５０ ボール駆動面
５１ ロック面
５２ 解放面
５３ 締結孔
６２ 先端壁
６３ 支持軸
６５ 駆動軸
６７ ウォーム歯車
７１ ウォーム軸
７２ ウォーム
７６ 回転伝達機構

Claims (7)

1. ツールユニットが着脱自在に装着されるツール交換装置であって、
   電動モータを収容するモータ収容室が形成された装置本体と、
   前記装置本体に設けられ、前記ツールユニットに設けられた係合リングに係合する複数のボールが装着される円筒部材と、
   前記円筒部材の内部に装着され、前記モータ収容室に配置された前記電動モータにより回転駆動されるカム部材と、
   前記カム部材に設けられ、前記ボールを前記係合リングに係合させるロック面および前記ボールを前記係合リングから解放させる解放面を備えたボール駆動面と、
   を有する、ツール交換装置。
2. 請求項１記載のツール交換装置において、
   前記電動モータのシャフトを前記カム部材の回転中心軸に沿う方向に向けて前記電動モータを前記装置本体に縦向きに配置した、ツール交換装置。
3. 請求項１または２記載のツール交換装置において、
   前記ツールユニットに操作機器が取り付けられ、
   前記装置本体は、移動装置に取り付けられる基部ディスクと、前記ツールユニットが装着される取付フランジと、前記基部ディスクおよび前記取付フランジとの間に設けられ前記基部ディスクおよび取付フランジよりも小径の中央筒体とを有し、
   前記基部ディスクを前記移動装置に締結するねじ部材と、前記操作機器を前記ツールユニットに締結するねじ部材との着脱操作用の操作空間が、前記中央筒体の径方向外方に設けられる、ツール交換装置。
   
4. 請求項１記載のツール交換装置おいて、
   前記カム部材の駆動軸に取り付けられるウォーム歯車と、前記ウォーム歯車に噛み合うウォームと、前記電動モータのシャフトの回転を前記ウォームに伝達する回転伝達機構とを前記モータ収容室に配置し、前記シャフトを前記カム部材の回転中心軸に対して横方向を向けて前記電動モータを前記装置本体に横向きに配置した、ツール交換装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のツール交換装置において、
   前記ボールを前記円筒部材に円周方向に等間隔置きに３つ装着し、ボール駆動面を前記カム部材に３つ形成するとともに、前記ボール駆動面は大径の前記ロック面から小径の前記解放面に漸次径が変化する、ツール交換装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載のツール交換装置において、
   前記カム部材に設けられたガイド孔と、
   前記装置本体から前記カム部材に突出して設けられたガイドピンと、を有し、
   前記ガイドピンが前記ガイド孔に入り込んで、前記カム部材の回転を規制する、ツール交換装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載のツール交換装置において、
   前記ツールユニットに設けられた締結孔に嵌合し、前記ツールユニットの前記装置本体に対する回転を規制するロックピンを有する、ツール交換装置。

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